CN1157461A - 宽温中子和γ射线屏蔽材料 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种中子和γ射线屏蔽材料。其特征是该材料包括下述物质：耐高温聚合物占混合物重量(下同)的16～60％；屏蔽物质占30～80％，平均粒径为1～40μm；硅烷类偶联剂占0.1～1.3％；抗氧剂占0.03～0.7％；交联剂占0.1～1％；增强纤维占2～15％。本发明材料的成型体可在-25～190℃温度内不变型，且耐冲击和振动，对热中屏蔽率达80～98％，且无二次辐射，特别适于作测井仪上使用的屏蔽体。

Description

宽温中子和r射线屏蔽材料

本发明涉及一种中子和r射线屏蔽材料。

现有的中子和r射线聚合物屏蔽材料(以下简称屏蔽材料)，一般用聚乙烯、聚丙烯、聚氧乙烯、聚氨酯等聚合物与中子和r射线屏蔽物质混合后制成，如日本专利特开昭56-131649中就报道了使用聚氯乙烯树脂与无机硼化物混合制造所述屏蔽材料的方法。这种屏蔽材料的使用温度适用范围比较窄，熔点偏低，在150℃左右即发生软化，而在0℃以下又变硬且脆，不抗冲击和振动，不能满足实际应用中的需要，如测井仪上使用的屏蔽体，要求在-25-180℃范围内使用，并且要有一定的抗冲击和抗振动性能。为解决耐高温问题，有人用无机物制造屏蔽材料，如日本专利特开平4-143696报道了一种使用无机硅酸钙为粘结剂与金属氧化物混合后加水再均匀混合制取高温屏蔽材料的方法。这种无机材料虽耐高温但不具有压延性，抗振动及抗冲击性能仍比较差。

本发明的目的是提供一种对中子和r射线不降低屏蔽效果，适用温度更宽的中子和r射线屏蔽材料，简称其为宽温中子和r射线屏蔽材料，其成型制品在-25～190℃温度范围内不变形，并且具有一定抗冲击和抗振动性能。

本发明的目的是如下实现的：所述的宽温(适用温度为-25～190℃)中子和r射线屏蔽材料包括下述物质组成：

耐高温聚合物占混合物料重量(下同)的16～60％；

中子和r射线屏蔽物质，平均粒径为1～40μm，占30～80％，其中r射线屏蔽物质应占中子和r射线屏蔽物质10～50％；

硅烷类偶联剂占0.1～1.3％；

抗氧剂占0.03～0.7％；

交联剂占0.1～1％；

增强纤维占2～15％，

所述的耐高温聚合物为聚苯硫醚、聚醚醚酮、聚醚砜、聚芳酯、聚酰亚胺中的一种。

本发明屏蔽材料的基料采用耐高温聚合物。这些耐高温聚合物具有良好温度适应性，使用耐高温聚合物作基料为制备宽温中子和r射线屏蔽材料奠定了基础。为了改善其与中子和r射线屏蔽物质(以下简称屏蔽物质)的相容性和分散性、防止其在加工过程中的氧化和降解，分别选用了适当的硅烷类偶联剂和抗氧化剂，保证屏蔽材料在不降低对中子和r射线屏蔽效果情况下具有比现有技术更宽范围的温度适用性；同时混合物料中还加入增强纤维和交联剂，有效地加强了屏蔽材料的抗冲击和抗振动性；为使屏蔽材料成型便利，混合物料中还添加了适量的润滑剂，可使屏蔽材料制成实际中适用的多种形状的屏蔽体。经实测证明：本发明制成的直经52mm长度90mm的屏蔽体对热中子的屏蔽率可达80～98％，且吸收中子后无二次辐射；对0.5～0.9mw的r射线屏蔽率可达20～65％；温度适用范围(成型体不变形)为-25～190℃，同时有较好的抗冲击和抗振动性能。

本发明屏蔽材料的基料采用耐高温聚合物。耐高温聚合物玻璃化转变温度比较高，热变型温度也很高，一般可达到200℃以上，具有较高的使用温度，而且能耐低温，在-100℃左右仍保持一定的结构强度。因为这些耐高温聚合物具有良好温度适应性，使用它们作基料为制备宽温中子和r射线屏蔽材料奠定了基础。所述的耐高温聚合物为聚苯硫醚、聚醚醚酮、聚醚砜、聚芳酯、聚酰亚胺中的一种。

本发明使用的中子和r射线屏蔽物质的平均粒径为1～40μm，其占混合物料重量的30～80％，其中r射线屏蔽物质占中子和r射线屏蔽物质重量的10～50％。所述中子射线屏蔽物质为碳化硼、氮化硼、硼酸、氧化硼中的任意一种，所述的r射线屏蔽物质为三氧化二铅、氯化铅、醋酸铅、氯化铋、氧化铋、钨粉、硫酸钡中的一种。

本发明使用了偶联剂来改善耐高温聚合物与所述屏蔽物质的相容性和分散性，使其具有均匀的防辐射功能。所述的偶联剂为硅烷类偶联剂，如可选取r-缩水甘油氧基丙基三甲氧基硅烷、r甲基丙烯酰氧基三甲氧基硅烷、N-β-(氨基乙基)-r-氨基丙基三甲氧基硅烷等中的一种。偶联剂在混合物料中所占重量为0.1～1.3％。

本发明为防止耐高温聚合物在加工过程中发生氧化和降解添加了抗氧剂。使用的抗氧剂为4，4′-丁叉双(3-甲基-6叔丁基苯酚)、2，6-二叔丁基对甲酚(抗氧剂264)、苯乙烯化苯酚、1，1，3-三(2甲基-4-羟基-5-叔丁基苯基)丁烷(抗氧剂CA)、1，3，5-三甲基-2，4，6-三(3，5-二叔丁基-44-羟基苄基)苯(抗氧剂330)、4，6-双(4羟基3，5-二叔丁基苯氧基)2正辛基硫代-1，3，5-三嗪等中的一种。抗氧剂的添加量为0.03～0.7％。

本发明为进一步提高经过偶联剂处理后的屏蔽物质、增强纤维与耐高温聚合物的粘结性还添加了交联剂。使用的交联剂为4，4′-二氨基二苯甲烷双马来酰亚胺(BMI)、间苯二按、对-苯二甲胺、4，4′-二氨基二苯基甲烷、4，4′-二氨基二苯砜、1，3-双(氨甲基)环己烷、3，3′-二氯-4，4′-二氨基二苯基甲烷、2，4，6-三(二甲胺基甲基)苯酚等中的一种。交联剂使用的比例为0.1～1％。

本发明为提高屏蔽材料的使用温度范围和抗冲击、抗振动性能，特别添加了增强纤维。使用的增强纤维是玻璃纤维或碳纤维中的一种。增强纤维的添加量占混合物料重量的2～15％；纤维长度应切割成5～10mm后混用。纤维长度过短，增强作用降低；过长，则不利混合均匀。

本发明为使耐高温聚合物与屏蔽物质充分混合均匀，以及制作屏蔽体时容易脱模，还添加了润滑剂。使用的润滑剂为N、N′-乙撑双硬脂酰胺、油酰胺、硬脂酸、硬脂酸锂、硬脂酸钙、固体石蜡等中的一种。润滑剂的添加量占混合物料重量的0.1～0.6％。

本发明宽温中子和r射线屏蔽材料的制造方法是：首先将耐高温聚合物、中子和r射线屏蔽物质进行干燥除湿，把增强纤维切割为5～10mm备用；将按比例称取的中子和r射线屏蔽物质、增强纤维、偶联剂一并放入混合机高速搅拌混合均匀；待混合物料静止后放入耐高温聚合物、抗氧剂、交联剂和润滑剂高速搅拌至混合均匀；混合均匀的混合物料放入真空烘干箱干燥，控制含水量小于0.1％；烘干的混合物料放入双螺杆机密炼、挤出并切粒，即制成本发明的屏蔽材料。

如果成型，可将上述制造好的本发明材料切粒放入真空干燥箱进行干燥处理后，再放入单螺杆挤压机熔融挤出；挤出料注入根据实际需要的成型模具中；模具填充完毕后置于压力机上加压成型；屏蔽体成型后冷却脱模。

本发明材料的成型体特别适用于制造测井仪上使用的屏蔽体，可在其要求的温度范围(-25～180℃)和工作条件(耐冲击和振动)下使用，具有良好的屏蔽中子和r射线的效果。

下面给出本发明的几个实施例：

实施例1：

平均粒径2μm占混合物料28％重量的碳化硼和平均粒径20μm占混合物料重量4％(占屏蔽物质的12.5％)的三氧化二铅干燥后，加入0.2％重量的r-缩水甘油氧基丙基三甲氧硅烷，及13％重量8mm长的玻璃纤维混合料，在密闭的高速混合机中高速搅拌混合15分钟，静止5分钟后，加入53％重量干燥的聚苯硫醚、0.6％的抗氧剂264、0.8％重量的交联剂间苯二胺和0.4％重量的润滑剂硬脂酸后；再次高速搅拌混合15分钟；混合后的物料置于真空烘干箱干燥后，放入直径30mm平行双螺杆挤出机中密炼挤出造粒；把切粒再置于真空烘干箱干燥，控制含水量小于0.1％，再放入单螺杆挤出机中熔融挤出，挤出料注入基本形状尺寸为直经52mm长度90mm(前述测井仪上使用屏蔽体基本形状的实际尺寸)的模具，待模具填满后置于压力机上成型，成型后冷却脱模，得到测井仪使用的屏蔽体。经测试，该屏蔽体轴向对热中子屏蔽率为85％，对0.5～0.8mw r射线屏蔽率为20％，吸收中子后无二次辐射，并在-25～190℃范围内不变形，同时具有较好的抗冲击和抗振动性。

实施例2：

平均粒径为35μm的36％重量氮化硼，平均粒径为2μm的10％重量(约占屏蔽物质的21.7％)氧化铋干燥后，与0.4％重量的r-甲基丙烯酰氧基三甲氧基硅烷和5.7％重量5mm长的碳纤维，按实施例1的条件和步骤混合均匀后，加入47％重量聚醚砜粉末，0.3％重量的抗氧剂CA，0.4％重量的对-苯二甲胺和硬脂酸锂0.2％，按实施例1的条件和步骤混合均匀，混合后物料按实施例1的条件和步骤制成所述的屏蔽体。经测试，制得的屏蔽体轴向对热中屏蔽率为90％，对0.5～0.8mw r射线屏蔽率为48％，吸收中子后无二次辐射，并在-25～190℃范围内不变形，同时具有较好的抗冲击和抗振动性。

实施例3：

平均粒径为10μm的50％重量氧化硼和平均粒径为5μm的25％重量(占屏蔽物质的50％)氢氧化铋干燥后，与1.2％重量的N-β(氨基乙基)-r-氨基丙基三甲氧基硅烷及3％重量5mm长的玻璃纤维，按实施例1的条件和步骤将其混合均匀，再加入20％重量的聚芳砜，0.05％重量的抗氧剂330，0.2％重量的4、4-二氨基二苯甲烷双马来酰亚胺(BMI)，0.55％重量的硬脂酸钙，按实施例1的条件和步骤制成所述的屏蔽体。经测试，制得的屏蔽体轴向对热中子屏蔽率为98％，对0.5～0.8mw r射线屏蔽率为65％，并在-25～190℃范围内不变形，同时具有较好的抗冲击和抗振动性。

Claims (8)

1、一种在聚合物中添加中子和r射线屏蔽物质组成的中子和r射线屏蔽材料，其特征是它是一种适用温度为-25～190℃的宽温中子和r射线屏蔽材料，包括下述物质：

耐高温聚合物占混合物料重量(下同)的16～60％；

中子和r射线屏蔽物质，平均粒径为1～40μm，占30～80％，其中r射线屏蔽物质应占中子和r射线屏蔽物质重量的10～50％；

硅烷类偶联剂占0.1～1.3％；

抗氧剂占0.03～0.7％；

交联剂占0.1～1％；

增强纤维占2～15％，

所述的耐高温聚合物为聚苯硫醚、聚醚醚酮、聚醚砜、聚芳酯、聚酰亚胺中的一种。

2、根据权利要求1所述的中子和r射线屏蔽材料，其特征是所述的硅烷类偶联剂为r-缩水甘油氧基丙基三甲氧基硅烷、r-甲基丙烯酰氧基三甲氧基硅烷、NB(氨基乙基)r氨基丙基三甲氧基硅烷中的一种。

3、根据权利要求1所述的中子和r射线屏蔽材料，其特征是所述的材料抗氧剂为4，4′-丁叉双(3-甲基-6叔丁基苯酚)、2，6二叔丁基对甲酚(抗氧剂264)、苯乙烯化苯酚、1，1.3-三(2甲基4-羟基-5叔丁基苯基)丁烷(抗氧剂CA)、1，3，5三甲基-2，4，6，三(3，5-二叔丁基-4羟基苄基)苯(抗氧剂330)、4，6-双(4羟基-3，5-二叔丁基苯氧基)-2-正辛基硫代-1，3，5三嗪等中的一种。

4、根据权利要求1所述的中子和r射线屏蔽材料，其特征是所述的交联剂为4，4′-二氨基二苯甲烷双马来酰亚胺(BMI)、间苯二胺、对-苯二甲胺、4，4′-二氨基二苯基甲烷、4，4′-二氨基二苯砜、1，3-双(氨甲基)环已烷、3，3′-二氨4，4′-二氨基二苯基甲烷、2，4，6-三(二甲胺基甲基)苯酚中的一种。

5、根据权利要求1所述的中子和r射线屏蔽材料，其特征是所述的增强纤维是玻璃纤维、碳纤维中的一种，纤维长度为5～10mm。

6、根据权利要求1～5中任一项所述的中子和r射线屏蔽材料，其特征是所述的混合物料中还添加有下述润滑剂中的一种：N、N′-乙撑双硬脂酰胺、油酰胺、硬脂酸、硬脂酸锂、硬脂酸钙、固体石蜡，所述的润滑剂占混合物料重量的0.1-0.6％。

7、根据权利要求6所述的中子和r射线屏蔽材料，其特征是它专用于制造测井仪上使用的屏蔽体。

8、根据权利要求7所述的中子和r射线屏蔽材料，其特征是所述的屏蔽体基本形状尺寸为直经52mm长度90mm的圆柱体。